Электроника:Полупроводники/Практические аналоговые полупроводниковые схемы/Схемы источников питания

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Схемы источников питания[1]

Существует три основных типа схем источников питания: нерегулируемые (нестабилизируемые), линейно регулируемые (с линейными стабилизаторами) и переключаемые (импульсные). И есть также четвёртый тип: импульсно регулируемые (с импульсным стабилизатором). Это гибрид нестабилизируемой схемы и импульсной, о котором мы поговорим особо.

Нерегулируемые (нестабилизируемые) схемы источников питания

Нерегулируемый источник питания – самый примитивный тип, действующий по принципу «грубой силы» и состоящий из трансформатора, выпрямителя и фильтра нижних частот. В таких источниках питания обычно выдают большое количество пульсаций напряжения (быстро сменяющегося и нестабильного) и другие «шумы» переменного тока, накладываемые на мощность постоянного тока. Если входное напряжение изменяется, выходное напряжение меняется пропорционально. Преимущество нерегулируемых устройств в том, что они дёшевы, просты, эффективны.

Линейно регулируемые (с линейными стабилизаторами) схемы источников питания

Линейный регулируемый источник питания – это когда в цепи помимо «грубого» (нерегулируемого) источника питания присутствует транзисторная схема, работающая в «активном» («линейном») режиме, отсюда и название – линейный стабилизатор. (В ретроспективе это очевидно, не так ли?) Типичный линейный стабилизатор предназначен для вывода фиксированного напряжения в широком диапазона входных напряжений, и он просто сбрасывает любое избыточное входное напряжение, чтобы подать максимальное выходное напряжение на нагрузку. Это чрезмерное падение напряжения приводит к значительному рассеиванию мощности в виде тепла. Если входное напряжение станет слишком низким, стабилизация в транзисторной схеме будет утеряна, что означает, что она не сможет поддерживать постоянное напряжение. Он может только снизить избыточное напряжение, но не восполнить недостаток напряжения в нестабилизируемой цепи. Следовательно, необходимо поддерживать входное напряжение как минимум на 1–3 вольт выше желаемого выходного напряжения, в зависимости от типа стабилизатора. Это эквивалентно мощности, когда не менее 1–3 вольт умножается на ток полной нагрузки, рассеиваемой схемой стабилизатора, с выделением большого количества тепла. Это делает источники питания с линейной регулировкой неэффективными. Кроме того, чтобы избавиться от всего этого тепла, нужны большие радиаторы, которые делают такие цепи громоздкими, дорогими.

Переключаемые (импульсные) схемы источников питания

Импульсный стабилизируемый источник питанияимпульсник») – это попытка объединить преимущества двух предыдущих схем с прямым и линейным регулированием (небольшие, эффективные и дешевые, но при том с «чистым» стабилизированным выходным напряжением). Импульсные источники питания работают, выпрямляя входящее переменное напряжение от линии электропередачи в постоянный ток, преобразуя его в высокочастотный прямоугольный переменный ток, пропуская через транзисторы, работающие как переключатели «Вкл.»/«Выкл.», повышая или понижая это напряжение переменного тока с помощью легковесного трансформатора, затем выпрямляя выход переменного тока трансформатора в постоянный ток и фильтруя для конечного выхода. Регулировка напряжения достигается изменением «рабочего цикла» инверсии постоянного тока в переменный на первичной обмотке трансформатора. Помимо меньшего веса из-за меньшего размера сердечника трансформатора, коммутаторы имеют ещё одно огромное преимущество перед двумя предыдущими конструкциями: этот тип источника питания может быть сделан настолько независимым от входного напряжения, что может работать в любой энергосистеме мира; это так называемые «универсальные» источники питания. Обратной стороной коммутаторов является то, что они более сложны и из-за своей работы генерируют много высокочастотного «шума» в виде переменного тока в линии электропередачи. Большинство коммутаторов также демонстрируют на своём выходе значительные пульсации напряжения. У более дешёвых типов этот «шум» и пульсации могут быть такими же сильными, как и для нерегулируемого источника питания. Впрочем, некоторая польза от таких бюджетных коммутаторов есть: они по-прежнему обеспечивают стабильное среднее выходное напряжение, и есть возможности обеспечить «универсальный» вход. Переключатели подороже не имеют пульсаций и имеют почти такой же низкий уровень «шума», как и некоторые линейные переключатели; однако эти переключатели обычно имеют примерно ту же цену, что и линейные источники питания. Дорогой коммутатор предпочтительнее хорошего линейного источника питания если нужна универсальная совместимость с энергосистемой или высокая эффективность. Высокая эффективность, лёгкость, компактность – вот те причины, по которым импульсные источники питания почти повсеместно используются для питания цифровых компьютерных схем.

Импульсно регулируемые (с импульсным стабилизатором) схемы источников питания

Источник питания с импульсным регулированием – при проектировании хорошая альтернатива линейно регулируемой схеме: источник питания а-ля «грубая сила» (трансформатор + выпрямитель + фильтр) составляет «начало» схемы, а транзистор работает строго в режиме «Вкл.»/«Выкл.». В этих крайних режимах (насыщения или отсечки) мощность постоянного тока передаётся на большой конденсатор по мере необходимости для поддержания выходного напряжения между высоким и низким уставленными значениями. Как и в переключателях, транзистор в импульсном стабилизаторе никогда не пропускает ток, находясь в «активном» или «линейном» режиме в течение значительного промежутка времени, что означает, что очень мало энергии будет потрачено впустую в виде тепла. Однако самым большим недостатком этой схемы регулирования является необходимость в присутствии некоторой пульсации напряжения на выходе, так как напряжение постоянного тока варьируется между двумя уставками управления напряжением. Кроме того, частота пульсаций напряжения изменяется в зависимости от тока нагрузки, что затрудняет окончательную фильтрацию постоянного тока. Импульсно регулируемая цепь, скорее всего, будет немного проще схемы с переключателем, при этом не нужно обрабатывать высокие напряжения в линии питания, с которыми должны работать переключающие транзисторы, что делает их более безопасными в эксплуатации.

См.также

Внешние ссылки